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2018年5月25日Science期刊精华

来源:本站原创 2018-05-31 21:43

2018年5月31日/生物谷BIOON/---本周又有一期新的Science期刊(2018年5月25日)发布,它有哪些精彩研究呢?让小编一一道来。
图片来自Science期刊。

1.Science:肠道微生物组竟能控制肝脏中的抗肿瘤免疫反应
doi:10.1126/science.aan5931; doi:10.1126/science.aat8289


在一项新的研究中,来自美国、德国和泰国的研究人员发现肠道细菌与肝脏中的抗肿瘤免疫反应之间存在关联。他们证实在小鼠肠道中发现的细菌会影响肝脏的抗肿瘤免疫功能。这些发现对理解导致肝癌的机制和开发治疗肝癌的方法产生影响。相关研究结果发表在2018 年5月25日的Science期刊上,论文标题为“Gut microbiome–mediated bile acid metabolism regulates liver cancer via NKT cells”。

为了研究肠道细菌是否会影响肝脏中的肿瘤产生,Greten博士和他的团队对小鼠进行了一系列实验。他们使用了三种小鼠肝癌模型,并发现当他们利用抗生素混合物消灭肠道细菌时,接受抗生素治疗的小鼠形成更少更小的肝脏肿瘤并且降低肿瘤转移到肝脏中。

这些研究人员接下来研究了肝脏中的免疫细胞以便理解消灭肠道细菌如何抑制接受抗生素治疗的小鼠肝脏中的肿瘤生长。抗生素治疗增加了这些小鼠肝脏中的一类被称作称为自然杀伤T细胞(NKT细胞)的免疫细胞的数量。进一步的实验表明在所有的三种小鼠模型中,因 抗生素治疗导致的肝脏肿瘤生长下降依赖于这些NKT细胞。接下来,他们发现这些NKT细胞在肝脏中的积累是由于位于肝脏毛细血管内部的肝窦内皮细胞表面上的CXCL16蛋白表达增加所导致的。

Greten 博士说,“我们问自己,为什么用抗生素治疗的小鼠在它们的这些内皮细胞中产生更多的CXCL16?当时我们发现胆酸(bile acid, 也译作胆汁酸)能够控制CXCL16表达时,这是非常关键的。我们随后开展进一步的研究,发现如果我们用胆酸治疗小鼠,那么我们 实际上能够改变肝脏中的NKT细胞数量,因而改变肝脏中的肿瘤数量。”

最后,这些研究人员发现,一种被称作Clostridium scindens的梭菌物种控制小鼠肠道中的胆酸代谢,并最终控制肝脏中的CXCL16表达、NKT细胞积累和肿瘤生长。

2.Science:关注寄生物世界
doi:10.1126/science.aam9974


在一项新的研究中,来自英国牛津大学动物学系的Alex Betts、Craig MacLean和Kayla King解决了寄生物群落对进化变化和多样性的影响。相关研究结果发表在2018年5月25日的Science期刊上,论文标题为“High parasite diversity accelerates host adaptation and diversification”。

在这项新的研究中,这些研究人员研究了单细胞细菌铜绿假单胞菌与噬菌体寄生物之间的相互作用,其中铜绿假单胞菌作为噬菌体的宿主,而噬菌体是感染细菌宿主细胞的微小病毒,在这些细胞内繁殖,并让它们的宿主细胞爆裂来释放它们的后代。这种宿主-寄生物系统 是非常有用的,这是因为我们能够实时地观察假铜绿假单胞菌和噬菌体之间的共同进化。在实验开始时,他们使用的细菌克隆容易遭受他们使用的所有噬菌体寄生物的感染。然而,这些细菌修饰它们的细胞表面使得噬菌体更难以附着和感染,从而快速地对噬菌体产生抵 抗性:噬菌体在将它们的致死性DNA注入之前必须附着于这种细菌细胞表面上。相对应地,噬菌体进化出经过修饰的结构来附着于这些发生改变的细菌细胞表面。

多样化的寄生物群体是许多生态系统的典型特征。这些研究人员的研究表明,相对于单寄生物感染,寄生物多样性能够快速地促进宿主抵抗性进化出来。宿主群体彼此之间也能够产生更多的进化分歧。最终,这些群体之间的这种基因组分裂可能导致新的细菌和噬菌体形 成。

在这项实验实验中,这些研究人员还测试了增加寄生物多样性是否会改变宿主和寄生物之间的共同进化模式。他们进一步研究了变化是如何通过宿主和寄生物基因组中发生的突变介导的。这些变化的性质常常可归于两种竞争性的描述---军备竞赛(Arms Race)和红色女 王(Red Queen)---之一。军备竞赛会随着时间的推移不断增加宿主抵抗性和寄生物传染性,从而使得未来的宿主(和寄生物)总是比它们的祖先更具抵抗力(或传染性)。相比之下,红色皇后共同进化主要涉及采用旋转策略模式来匹配当前的对手,从而使得今天的策 略应该对今天的对手最有效,而不那么适合过去或未来的对手。

这项研究揭示出寄生物群落能够形成对抗性共同进化的温床。随着寄生物多样性的增加,共同进化偏向于促进宿主和寄生物之间发生更强的军备竞赛。随着寄生物多样性的增加,共同进化速度加快。宿主和寄生物分别进化出更高水平的抵抗性和传染性。这整个过程的基 础是宿主转向于扩散一种抵抗多种寄生物的通用性防御策略。在这种寄生物群体中,针对每种寄生物维持不同类型的抵抗性并不是最好的办法。宿主使通用性抵抗机制的能力对在面临众多寄生物下观察到的进化加快是至关重要的。

3.Science:开发出一种可吞服细菌电子胶囊,用于监测肠道健康
doi:10.1126/science.aas9315; doi:10.1126/science.aat8658


在一项新的研究中,来自美国麻省理工学院、麻省儿童总医院、哈佛医学院和布莱根妇女医院的研究人员开发出一种可吞服的胶囊,这种胶囊装有微型电子设备和数百万个基因工程细菌。它可能有朝一日被用来从肠道内部观察健康问题。相关研究结果发表在2018年5月26 日的Science期刊上,论文标题为“An ingestible bacterial-electronic system to monitor gastrointestinal health”。

这些研究人员报道这种胶囊已在猪身上进行了测试并正确地检测到了出血迹象。这种胶囊的长度超过一英寸,为了在人体内进行测试,它还需变得更小。不过这些研究结果提示着这种胶囊最终可用于在人体中发现溃疡、炎症性肠病甚至结肠癌的迹象。

4.Science:构建出真涡虫的完整细胞图谱和谱系树
doi:10.1126/science.aaq1723


相同的干细胞如何变成复杂的发挥着各种各样功能的体细胞?干细胞如何分化为人体中的多种细胞类型是现代医学科学的一个谜。在一项新的研究中,来自德国马克斯-德尔布吕克分子医学中心(MDC)和亥姆霍兹中心的研究人员通过将复杂的单细胞RNA技术与核酸测序和 计算方法相结合,构建出一种完整而又复杂的成年动物---具体而言是地中海圆头涡虫,学名Schmidtea mediterranea---的详细细胞图谱,并重建出所有被鉴定出的细胞的谱系树。他们的研究结果也为细胞再生功能提供了新的见解。相关研究结果于2018年4月19日在线发 表在Science期刊上,论文标题为“Cell type atlas and lineage tree of a whole complex animal by single-cell transcriptomics”。论文通信作者为MDC柏林医学系统生物学研究所主任Nikolaus Rajewsky教授。论文第一作者为MDC柏林医学系统生物学研究所的 Mireya Plass博士和Jordi Solana博士。

诸如地中海圆头涡虫之类的真涡虫(planarian)是受欢迎的研究对象,这是因为它们是永生的:当被切割成多个小块时,每个小块也能够完全地再生出完整的个体。它们拥有大量的成体多能性干细胞,这些干细胞不断地更新所有组织和细胞类型。Plass说,“为了理解 细胞如何分化,我们需要比较处于不同分化阶段的细胞的基因表达谱,就像我们在真涡虫中发现的那样。我们对整个真涡虫进行解离,并且通过对它们的mRNA转录本进行测序,描述了成千上万个细胞。”这些研究人员鉴定出37种不同的细胞类型,它们中的23种是终末分 化的,此外还有多种干细胞和所谓的处于不同分化阶段的祖细胞。

论文共同作者、MDC柏林医学系统生物学研究所的Christine Kocks博士说,“我们随后利用一种新的计算算法,即由Alexander Wolf博士和Fabian Theis教授开发出的PAGA,预测一种包括所有被鉴定出的由同一个干细胞群体产生的细胞类型的谱系树。”这些研究人员随 后将这种预测结果与其他的计算和实验方法---对纯化的干细胞和来自干细胞已被耗尽的真涡虫的细胞进行测序;基因表达变化;来自PAGA 的无监督谱系树预测;一种近期发布的被称作velocyto的方法,它利用依据前体形式和成熟形式的mRNA转录本估计的mRNA代谢预测 未来的细胞状态---相结合,构建出一种强健的由多种独立的证据证实的谱系树。此外,他们能够鉴定出参与沿着这种谱系树的细胞分化过程的基因程序。

这些研究人员还发现了几种新的细胞类型,它们位于之前在分子研究中被忽略的真涡虫实质组织(parenchyma)中,并且在真涡虫的再生过程中发挥重要作用。这些细胞所占的比例在再生中的真涡虫内显著减少,这提示着这些细胞促进真涡虫中的“身体重塑”过程。

5.Science:构建出真涡虫细胞类型转录组图谱
doi:10.1126/science.aaq1736


在一项新的研究中,来自美国怀特海德研究所和麻省理工学院的研究人员分离出来自一种真涡虫(具体而言是地中海圆头涡虫,学名Schmidtea mediterranea)的5个身体区域的总共66783个细胞,并利用单细胞RNA测序术系统性地分析了这些细胞,揭示出一个完整有机体 中几乎每种类型细胞的全部活性基因(或者说“转录组”),包括罕见的真涡虫细胞类型(比如在由大约50万~100万个细胞组成的成年真涡虫动物中,一种罕见的细胞类型仅有大约10个细胞)的转录组。这种转录组图谱代表着关于真涡虫(planarian)的生物信息宝库 。这种新的公开可用的资源(网址为:http://digiworm.wi.mit.edu)推动了重要的发现,包括鉴定出新的真涡虫细胞类型和能够传递来自肌肉细胞的位置信号的新基因---这是组织再生的一个关键因素。相关研究结果于2018年4月19日在线发表在Science期刊上,论文标 题为“Cell type transcriptome atlas for the planarian Schmidtea mediterranea”。

此外,这些人员发现了一些在此之前从未在真涡虫中描述过的细胞类型,以及许多有机体共有的细胞类型,这就使得这种转录组图谱成为整个科学界的宝贵工具。论文通信作者、怀特海德研究所研究员和麻省理工学院生物学教授Peter Reddien说,“我们鉴定出很多在真 涡虫体内广泛分布的但之前未被鉴定出的细胞。这一令人吃惊的发现突出了这种方法在鉴定新细胞方面的巨大价值。这种方法可能广泛地应用于许多未知的有机体中。”

6.Science:RNA结构决定着细胞中的相分离特异性
doi:10.1126/science.aar7432; doi:10.1126/science.aat8028


生物学中长期存在的一个谜团是在一个细胞中碰撞的数百万个分子如何“找到”彼此并组装成一种功能性的结构。因此,当2008年美国伍兹霍尔海洋生物学实验室(Marine Biological Laboratory, MBL)生理学课程的参与者意识到简单的相分离(phase separation)---如从水中分离油---可能是在细胞内部创造秩序的一种重要方式时,这是一个巨大的惊喜。

在一项新的研究中,美国研究人员首次证实鉴于RNA分子呈现出特定的三维形状,它们识别彼此而凝聚成相同的液滴。相关研究结果于2018年4月12日在线发表在Science期刊上,论文标题为“mRNA structure determines specificity of a polyQ-driven phase separation”。论文通信作者为北卡罗来纳大学教堂山分校的Amy S. Gladfelter。论文第一作者为北卡罗来纳大学教堂山分校的Erin M. Langdon。

通过研究真菌细胞,Gladfelter、Langdon及其同事们证实如果RNA分子的三维结构允许它们通过互补性的碱基配对结合在一起,那么这些RNA分子最终凝聚成相同的液滴。

Gladfelter说,“如果RNA的二级(3D)结构屏蔽了任何互补性碱基配对,那么这些RNA分子最终凝聚成不同的液滴。对凝聚成相同液滴的RNA分子而言,它们的互补序列真正地暴露出来,因此它们能够找到彼此,进行碱基配对,从而发生一种高阶的相互作用。”

这一发现是比较重要的,这是因为它揭示了形成这些RNA-蛋白凝聚物的一种选择性机制--- 科学家们在细胞中随处都可观察到这种机制,但是它的功能仍然是不清楚的。通过将特定分子凝聚在一起,这些凝聚物可能起着“坩埚(crucible)”的作用来增强生物反应。或 者它们可能将细胞中的一种特定生物过程不需要的分子隔离开来。

7.Science:局部RNA浓度决定着不同亚细胞区域存在不同的相分离行为
doi:10.1126/science.aar7366; doi:10.1126/science.aat8028


朊蛋白样RNA结合蛋白(RBP),比如TDP43和FUS,在细胞核中很大程度上是可溶的,但是当错误定位到细胞质时,它们会形成病理性的聚集物。是什么让这些蛋白在细胞核中是可溶的和促进它们在细胞质中形成聚集物仍然是未知的。Shovamayee Maharana等人报道,RNA 严格地调节朊蛋白样RBP的相行为。低RNA/蛋白比率促进相分离而形成液滴,而高RNA/蛋白比率阻止体外液滴形成。细胞核RNA水平下降或者通过基因消融阻止RNA结合导致细胞中的过度相分离和细胞毒性固体样聚集物形成。这些作者们提出细胞核是一种缓冲系统,在那里 ,较高的RNA浓度让RBP保持可溶性。RNA水平或RBP的RNA结合能力变化导致异常的相变。

8.Science:海龟、蜥蜴和小鼠的大脑分子图谱有助认识人类大脑进化
doi:10.1126/science.aar4237


爬行动物和哺乳动物的大脑究竟存在多大的相关性?Maria Antonietta Tosches等人使用单细胞转录组学方法来研究乌龟、蜥蜴、小鼠和人类的大脑样本。他们评估了哺乳动物的六层皮质(six-layered cortex)如何可能源于爬行动物的三层皮质。尽管皮质的不同层之 间缺乏对应性,但哺乳动物的星形胶质细胞和成体神经干细胞具有相同的进化起源。尽管存在中间神经元亚型是物种特异性的,但是中间神经元亚型的一般类型在整个进化跨度中是都得到表现。

具有大量褶皱的哺乳动物海马体的片段对应于爬行动物大脑中的相邻区域(adjacent field)。

9.Science:揭示白鹳的全球迁徙模式
doi:10.1126/science.aap7781; doi:10.1126/science.aat7920


社会动力学在指导集体迁移中起什么作用?识别这种动态变化需要在漫长的迁移距离内追踪个体动物。Andrea Flack等人利用全球定位系统标签追踪在南部迁徙中的单个年幼的白鹳(white stork)。白鹳通常分为两类:引导者(leader)和追随者(follower)。引导者寻找热隆起的地区,在迁移过程中较少地拍打翅膀,并且飞得更远。追随者跟随引导者进入上升暖气流,但有不同的迁移轨迹,表现出更大幅度的翅膀拍打,飞行较短的总距离。

10.Science:病毒学家呼吁全世界努力根除HTLV-1病毒
doi:10.1126/science.360.6391.844


三名著名的病毒学家致函世界卫生组织(WHO)总干事,要求采取更强有力的措施来根除HTLV-1病毒---一种逆转录病毒,是导致成人白血病的原因之一。在他们的致函信中,澳大利亚昆士兰大学的Fabiola Martin、美国马里兰大学医学院的Yutaka Tagaya和Robert Gallo提出如今是国际社会对这种病毒及其所造成的危害给予更多关注的时候了。这封致函信获得其他58名病毒学家的签名。特约撰稿人Kai Kupferschmidt在2018年5月25日的 Science期刊上针对这封致函信进行了评论,并解释了他们为什么要写它。

Kupferschmidt解释说,自1980年以来,科学家们就已了解了HTLV-1。这是有史以来发现的第一个人类逆转录病毒(Gallo是该团队的一部分),而且它的发现导致人们更好地理解HIV。从那时起,研究人员就已发现,除了成为成人T细胞白血病(adult T-cell leukemia)的一种原因之外,它还会导致热带痉挛性下肢轻瘫(tropical spastic paraparesis),即一种与多发性硬化症相似的疾病。还有一些证据表明它可能导致与免疫疾病或炎性疾病相关的一些其他的健康问题。

Kupferschmidt指出,这种病毒不会导致大量的人类死亡,这就解释了为什么它会被低报。但他也指出,鉴于被感染的人数众多,这是一个主要威胁。大多数被感染的人几乎没有任何症状。但与HIV一样,这些感染者能够通过精液、输血和母乳等方式将HTLV-1传播给其他人。除日本和澳大利亚以外,大多数感染者都生活在贫穷国家,通常在偏远地区。比如,数百万感染者被认为生活在巴西的偏远地区,而且最近的估计显示居住在澳大利亚土著社区的大约一半成年人受到感染。

但是人们很容易降低HTLV-1感染。在这种病毒根除计划实施后,日本长崎地区的感染率从7.2%下降到1%。这就是为什么这些研究人员写这封致函信,以及为什么世界各地的病毒学家呼吁在全球卫生诊所进行常规检测来给予支持。他们指出,鉴于通过协调一致的努力能够大幅减少这种病毒感染,没有理由不这样做。(生物谷 Bioon.com)

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